Путь к квантовым вычислениям при комнатной температуре

Армейские исследователи предсказывают, что квантовые компьютерные схемы, которые больше не будут нуждаться в чрезвычайно низких температурах, чтобы функционировать, могли стать реальностью примерно через десятилетие.

В течение многих лет твердотельные квантовые технологии, работающие при комнатной температуре, казались далекими. Хотя применение прозрачных кристаллов с оптическими нелинейностями стало наиболее вероятным путем к этой вехе, правдоподобность такой системы всегда оставалась под вопросом.

Теперь армейские ученые официально подтвердили обоснованность такого подхода. Доктор Курт Джейкобс из Военно-исследовательской лаборатории командования по развитию боевых возможностей армии США, работающий вместе с доктором Миккелем Хьюком и профессором Дирком Энглундом из Массачусетского технологического института, стал первым, кто продемонстрировал осуществимость квантовых логических элементов, состоящих из фотонные схемы и оптические кристаллы.

Читайте также: портал GameZ= сделал обзор на симулятор мехов mechwarrior 5 mercenaries. Если вам нравятся мехи, то вам стоит ознакомится с этим обзором https://sheffieldjungle.com/obzor-mechwarrior-5-mercenaries/, эта серия про мехов вышла еще в 90-х, и она до сих пор имеет своих поклонников. Игр про мехов не так много, а хороших и того меньше, эта игра одна из лучших в жанре.

«Если будущие устройства, использующие квантовые технологии, потребуют охлаждения до очень низких температур, это сделает их дорогими, громоздкими и потребляющими электроэнергию», — сказал Хек. «Наше исследование направлено на разработку будущих фотонных схем, которые смогут манипулировать запутанностью, необходимой для квантовых устройств при комнатной температуре».

Квантовая технология предлагает ряд будущих достижений в области вычислительной техники, связи и дистанционного зондирования.

Чтобы выполнить любую задачу, традиционные классические компьютеры работают с информацией, которая полностью определена. Информация хранится во многих битах, каждый из которых может быть включен или выключен. Классический компьютер, когда ему дан вход, заданный числом битов, может обработать этот вход, чтобы получить ответ, который также дается как число битов. Классический компьютер обрабатывает один вход за раз.

В отличие от этого, квантовые компьютеры хранят информацию в кубитах, которые могут находиться в странном состоянии, когда они одновременно включены и выключены. Это позволяет квантовому компьютеру исследовать ответы на множество входов одновременно. Хотя он не может вывести все ответы одновременно, он может вывести взаимосвязи между этими ответами, что позволяет решать некоторые проблемы гораздо быстрее, чем классический компьютер.

К сожалению, одним из основных недостатков квантовых систем является хрупкость странных состояний кубитов. Большинство перспективных аппаратных средств для квантовой технологии должны храниться при чрезвычайно низких температурах — близких к нулю Кельвинов — чтобы предотвратить разрушение особых состояний при взаимодействии с компьютерной средой.

«Любое взаимодействие кубита с чем-либо еще в его окружении начнет искажать его квантовое состояние», — сказал Джейкобс. «Например, если среда представляет собой газ частиц, то, сохраняя его очень холодным, молекулы газа движутся медленно, чтобы они не врезались в квантовые цепи».

Исследователи направили различные усилия на решение этой проблемы, но определенное решение еще не найдено. В настоящее время фотонные схемы, включающие нелинейно-оптические кристаллы, в настоящее время стали единственным возможным путем к квантовым вычислениям с твердотельными системами при комнатной температуре.

«Фотонные схемы немного похожи на электрические, за исключением того, что они управляют светом вместо электрических сигналов», — сказал Энглунд. «Например, мы можем сделать каналы в прозрачном материале, чтобы фотоны проходили вниз, что-то вроде электрических сигналов, распространяющихся по проводам».

В отличие от квантовых систем, которые используют ионы или атомы для хранения информации, квантовые системы, которые используют фотоны, могут обойти ограничение по холодной температуре. Однако фотоны должны взаимодействовать с другими фотонами для выполнения логических операций. Это где нелинейные оптические кристаллы вступают в игру.

Исследователи могут создавать полости в кристаллах, которые временно задерживают фотоны внутри. Посредством этого метода квантовая система может установить два различных возможных состояния, которые может удерживать кубит: полость с фотоном (включен) и полость без фотона (выключен). Эти кубиты могут затем сформировать квантовые логические элементы, которые создают основу для странных состояний.

Другими словами, исследователи могут использовать неопределенное состояние того, находится ли фотон в кристаллической полости, чтобы представить кубит. Логические элементы действуют вместе на два кубита и могут создавать «квантовую запутанность» между ними. Это запутывание автоматически генерируется в квантовом компьютере и требуется для квантовых подходов к приложениям в зондировании.

Тем не менее, ученые основывали идею создания квантовых логических вентилей с использованием нелинейно-оптических кристаллов исключительно на предположениях — вплоть до этого момента. В то время как это показало огромную перспективу, оставались сомнения относительно того, мог ли этот метод даже привести к практическим логическим воротам.

Применение нелинейно-оптических кристаллов оставалось под вопросом до тех пор, пока исследователи из армейской лаборатории и Массачусетского технологического института не представили способ реализовать квантовые логические элементы с таким подходом, используя установленные компоненты фотонной цепи.

«Проблема заключалась в том, что если у человека есть фотон, путешествующий по каналу, у фотона есть« волновой пакет »определенной формы», — сказал Джейкобс. «Для квантового затвора необходимо, чтобы волновые пакеты фотонов оставались неизменными после работы затвора. Поскольку нелинейности искажают волновые пакеты, вопрос заключался в том, можете ли вы загрузить волновой пакет в полости, чтобы они взаимодействовали через нелинейности, а затем испустить фотоны снова, чтобы у них были те же волновые пакеты, с которых они начали «.

Разработав квантовые логические вентили, исследователи провели многочисленные компьютерные симуляции работы вентиля, чтобы продемонстрировать, что теоретически он может функционировать надлежащим образом. По словам исследователей, фактическое построение квантовых логических элементов с помощью этого метода в первую очередь потребует значительного улучшения качества определенных фотонных компонентов.

«Исходя из прогресса, достигнутого за последнее десятилетие, мы ожидаем, что для реализации необходимых улучшений потребуется около десяти лет», — сказал Хек. «Однако процесс загрузки и испускания волнового пакета без искажений — это то, что мы должны реализовать с помощью современной экспериментальной технологии, и поэтому это эксперимент, над которым мы будем работать дальше».